劉康寧（杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州 310018）

汽輪機停機故障分析

劉康寧（杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州 310018）

某電廠超速限制OPC動作時，安全油壓力開關(guān)復位導致停機。調(diào)節(jié)閥漏汽，LVDT工作溫度過高，線圈短路，油動機失控導致停機。本文提出了設(shè)計改進建議。

汽輪機；DEH；OPC；控制系統(tǒng)

1 項目概述

某企業(yè)自備電廠新建兩臺65MW發(fā)電機組帶企業(yè)自身負荷孤網(wǎng)運行。DEH的液壓系統(tǒng)為高壓抗燃油系統(tǒng)，配有：1個連續(xù)控制型油動機，通過操縱機構(gòu)驅(qū)動4個調(diào)節(jié)閥；2個兩位控制型油動機，通過操縱座驅(qū)動2個主汽閥；1套高壓遮斷電磁閥組。配汽機構(gòu)為小型汽輪機常見的提板式結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)閥油動機通過三角杠桿驅(qū)動提板上下運動。三角杠桿處配有復位彈簧。提板上懸掛了4個調(diào)節(jié)閥。如圖1所示。

機組正常運行期間，調(diào)節(jié)閥油動機上的快關(guān)電磁閥失電，高壓遮斷電磁閥帶電。透平油系統(tǒng)的危急遮斷滑閥處于上止點，在低壓安全油壓作用下，薄膜接口閥關(guān)閉。壓力油通過主汽閥、調(diào)節(jié)閥油動機上的節(jié)流孔進入高壓安全油路，高壓安全油路上的3個壓力開關(guān)動作，表示安全油壓已建立。在高壓安全油壓作用下，液控單向閥保持打開狀態(tài)，卸荷閥保持關(guān)閉狀態(tài)。

圖1 在提板上懸掛3個調(diào)節(jié)閥

伺服閥的B口與壓力油接通時，油動機向開門方向運動。伺服閥的B口與回油接通時，油動機向關(guān)門方向運動。B口開度越大，運動速度越快。伺服閥的B口關(guān)閉時，油動機保持原位置不動。伺服模塊比較閥位給定與LVDT油動機行程，差值放大后調(diào)整伺服B口開度，構(gòu)成位置隨動系統(tǒng)，使油動機行程跟隨閥位給定變化。

OPC動作時，調(diào)節(jié)閥油動機上的快關(guān)電磁閥帶電，卸荷閥打開，壓力油進入活塞下腔，驅(qū)動活塞向上運動，快速關(guān)閉調(diào)節(jié)閥。如圖2所示。

DEH控制系統(tǒng)采用和利時的DEH/DCS一體化解決方案，系統(tǒng)軟件為MACSV5版本，硬件為SM系列模塊。如圖3所示。

伺服模塊將閥位給定電壓與由LVDT調(diào)制解調(diào)來的油動機行程反饋電壓之差放大后，調(diào)整伺服閥油口開度，使油動機行程跟隨閥位給定信號變化，通過杠桿配汽機構(gòu)改變調(diào)節(jié)閥開度，從而改變汽輪機的進汽量。

圖2 調(diào)節(jié)閥油動機原理圖

圖3 DEH硬件系統(tǒng)示意圖

采用6線制LVDT。初級線圈加入1.7kHz/3.5VAC左右的正弦波激勵電壓，根據(jù)2個次級線圈感應電壓的差值，得到油動機行程信號。差值為0時對應油動機在50%中間位置。差值為正時表示行程大于50%，為負時表示行程小于50%。

伺服模塊具有LVDT斷線檢測功能。若檢測到某支LVDT線圈斷線，自動將對應LVDT反饋電壓改為最高（大于油動機全開電壓）。兩支LVDT調(diào)制解調(diào)后的電壓小選后作為反饋電壓。若2支LVDT均發(fā)生斷線故障，伺服控制回路可將調(diào)節(jié)閥全關(guān)，保證機組安全。

在機組調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)閥行程大于9%期間，若調(diào)節(jié)閥油動機上的OPC電磁閥動作，不僅調(diào)節(jié)閥油動機會迅速關(guān)閉，還會導致主汽閥油動機關(guān)閉，機組打閘停機故障。檢查分析為OPC電磁閥動作時，系統(tǒng)壓力油、高壓安全油會瞬間降低，致使安全油壓力開關(guān)復位，DEH輸出打閘指令，主汽門全關(guān)。由于時間緊，未對液壓系統(tǒng)問題作處理。

機組運行僅1個月后因油開關(guān)跳閘、103%超速OPC動作發(fā)生過停機故障。后來因汽輪機調(diào)節(jié)閥汽柜法蘭面漏汽，致LVDT傳感器溫度過高短路損壞，多次發(fā)生停機故障。

2 故障情況分析

下面針對3次故障情況進行分析。

（1）1月22日7:38分跳閘故障

7:38分故障前，電網(wǎng)負荷（功率）逐漸增加，調(diào)節(jié)閥油動機在一次調(diào)頻作用下逐漸開大，主汽流量隨之逐漸增加，主汽壓力略有下降，以維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速最低降到2988r/min。在7:38:10時，電網(wǎng)負荷突然減少，轉(zhuǎn)速迅速升高。在一次調(diào)頻作用下，閥位給定、調(diào)節(jié)閥油動機行程也迅速減小。但由于一次調(diào)頻限幅為3000±30r/min，轉(zhuǎn)速超過3030后，閥位給定、調(diào)節(jié)閥油動機行程不再隨轉(zhuǎn)速升高而減小。轉(zhuǎn)速很快飛升到3092r/min，103%超速OPC動作，調(diào)節(jié)閥油動機迅速關(guān)閉。由于耗油量太大，使EH油壓、安全油壓瞬間降低，安全油壓力開關(guān)復位，安全油壓建立信號消失，DEH輸出打閘信號，AST電磁閥失電，安全油壓降低，主汽門關(guān)閉。如圖4所示。

圖4 第一次故障情況分析圖

（2）2015年1月30日5:24:22發(fā)生打閘停機事故

機組單機帶著22.6MW負荷，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3006r/min。在5:24:20時，油開關(guān)跳閘，OPC電磁閥動作，調(diào)節(jié)閥油動機迅速關(guān)閉。由于耗油量太大，使EH油壓、安全油壓瞬間降低，安全油壓力開關(guān)復位，安全油壓建立信號消失，DEH輸出打閘信號，AST電磁閥失電，安全油壓降低。轉(zhuǎn)速最高升到3049r/min。OPC變量“T1DOCVIVOFF”置1持續(xù)了10s，為DEH打閘開出動作所致。如圖5所示。

圖5 第二次故障分析圖

（3）2015年3月2日6:24分跳閘故障

機組單機帶29MW負荷穩(wěn)定運行。在6:22:05后，油動機行程信號從60%突然增大到78%，機組轉(zhuǎn)速、功率隨之降低（29.2MW降到18.2MW），主汽壓力隨之升高。如圖6所示。進一步分析判斷為LVDT傳感器因高溫導致次級線圈匝間短路，使指示閥位信號突然增大，伺服控制反饋回路的調(diào)節(jié)作用導致關(guān)小調(diào)節(jié)閥開度。

圖6 第三次故障分析圖

總閥位給定在一次調(diào)頻的作用下，隨著轉(zhuǎn)速降低迅速增大。一次調(diào)頻給定值最大到15限幅后失去了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用。操作員根據(jù)轉(zhuǎn)速變化情況操作閥位快速增減按鈕，改變目標閥位，試圖將轉(zhuǎn)速穩(wěn)住。到6:23:56前，功率較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速波動已明顯減弱。在6:23:57時，油動機行程信號從76.9%突然降低到50%，轉(zhuǎn)速、功率突增（18.5MW上升到20.4MW），主汽壓力突降。

進一步分析判斷為LVDT傳感器因高溫導致另一次級線圈也發(fā)生匝間短路，使指示閥位信號突然減小，伺服控制反饋回路的調(diào)節(jié)作用導致開大調(diào)節(jié)閥開度。轉(zhuǎn)速最高值顯示為3102r/min，103%超速OPC動作。調(diào)節(jié)閥油動機迅速關(guān)閉。由于耗油量太大，使EH油壓、安全油壓瞬間降低，安全油壓開關(guān)復位，安全油壓建立信號消失，DEH輸出打閘信號，AST電磁閥失電，安全油壓降低。

剛打閘時，機組還帶著負荷（功率不為0，10～0MW），轉(zhuǎn)速迅速下降。EH油壓逐漸降低。持續(xù)40s逆功率（-18.7MW）后，油開關(guān)斷開，功率顯示變?yōu)?。

3 主要問題歸納

3.1 汽輪機本體方面

（1）調(diào)節(jié)閥汽柜法蘭面漏汽

機組運行僅1個月后，調(diào)節(jié)閥汽柜法蘭面就開始出現(xiàn)漏汽。運行3個期間漏汽逐漸增大。由于調(diào)節(jié)閥油動機距離很近，LVDT傳感器工作溫度超過規(guī)定范圍（-25℃～120℃），導致內(nèi)部線圈絕緣破壞，造成匝間短路故障。LVDT反饋電壓突變，使調(diào)節(jié)閥突然關(guān)小，后又突然開大，無法保證機組安全穩(wěn)定運行。

（2）油動機環(huán)境溫度高

油動機安裝在汽缸上。由于金屬熱傳導、熱輻射的作用，油缸及油液溫度較高。影響密封件及抗燃油的使用壽命。

3.2 液壓系統(tǒng)方面

調(diào)節(jié)閥油動機快關(guān)耗油太大

在調(diào)節(jié)閥油動機行程大于9%的條件下，快關(guān)電磁閥動作時，壓力油充入活塞下腔，油動機迅速關(guān)閉。蓄能器不能及時補充油動機的大量耗油，壓力油、安全油瞬間下跌。導致3個安全油壓力開關(guān)瞬間復位，而打閘停機。

3.3 DEH系統(tǒng)方面

（1）一次調(diào)頻限幅

轉(zhuǎn)速在3000±30r/min范圍內(nèi)變化時，一次調(diào)頻給定值才跟隨轉(zhuǎn)速變化。轉(zhuǎn)速超出此范圍時，一次調(diào)頻給定值被限幅而保持不變，機組即失去了轉(zhuǎn)速反饋作用，導致機組轉(zhuǎn)速超過103%OPC動作。

（2）103%超速OPC動作停機

正常的103%超速OPC功能為：103%超速OPC動作時，OPC電磁閥帶電調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉，以抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)量。當轉(zhuǎn)速降低103%超速OPC復位后，OPC電磁閥失電油動機交回調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。若油開關(guān)已斷開，則由轉(zhuǎn)速PID控制調(diào)節(jié)閥，最終穩(wěn)定在3000r/min。若油開關(guān)為閉合狀態(tài)，則DEH進入閥控方式，在目標閥位及一次調(diào)頻作用下控制調(diào)節(jié)閥開度，使轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。

103%超速OPC動作后就打閘停機了，原因為：調(diào)節(jié)閥油動機快關(guān)時耗油量大→EH油壓瞬間降低→安全油壓力開關(guān)瞬間復位→安全油壓建立信號瞬間消失→DEH打閘開出→AST電磁閥失電→安全油壓降低→安全油壓力開關(guān)復位→安全油壓建立信號消失→機組已跳閘。

4 改進建議

4.1 汽輪機本體方面

（1）調(diào)節(jié)閥汽柜法蘭面漏汽

汽機專業(yè)采取必要措施（如增加法蘭面螺栓緊力）杜絕漏汽。

今后改進設(shè)計，增大法蘭面密封長度。

（2）油動機環(huán)境溫度高

汽機專業(yè)采取必要措施（如在油動機安裝底座上增加水套）降低油缸及油液溫度工作溫度。

今后改進設(shè)計，將油動機安裝在前箱蓋上，遠離高溫部件。

4.2 液壓系統(tǒng)方面

調(diào)節(jié)閥油動機快關(guān)耗油太大

在調(diào)節(jié)閥油動機壓力油管路上增加節(jié)流閥，降低油動機關(guān)閉速度。將油動機關(guān)閉時間控制在0.5s以內(nèi)，既保證機組安全，又避免打壞調(diào)節(jié)閥。同時避免3個安全油壓力開關(guān)瞬間復位。

將高壓安全油壓開關(guān)復位油壓由6MPa改為2～3MPa（保證低壓遮斷動作時的油壓低于此值）。避免OPC快關(guān)動作時，此壓力開關(guān)復位。

今后改進設(shè)計，由于操作機構(gòu)已設(shè)有復位彈簧，調(diào)節(jié)閥油動機可改為液壓開啟、彈簧關(guān)閉型。即上腔通入壓力油時，克服彈簧力，開啟調(diào)節(jié)閥。上腔接通回油時，在彈簧力作用下，調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉。下腔始終接回油。

4.3 DEH系統(tǒng)方面

（1）一次調(diào)頻限幅

取消一次調(diào)頻的限幅作用。轉(zhuǎn)速過高或過低時，在一次調(diào)頻作用下可使油動機行程達到全關(guān)或全開。

考慮到鍋爐出力變化比汽輪機的需求慢得多，在大電網(wǎng)中運行的機組通常采用限制一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)量，來減小對鍋爐的擾動。限幅通常設(shè)為開門方向15r/min，關(guān)門方向不限制（保證汽輪機安全）。

在孤網(wǎng)運行環(huán)境下，需要隨時保證發(fā)電功率與用電負荷平衡，以維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。通過一次調(diào)頻作用，自動調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度，以達到上述目的?？紤]到鍋爐的蓄能有限，調(diào)節(jié)閥開度增大后，主汽壓力會逐漸降低，應及時增加鍋爐的燃料。若主汽壓力下降過大，可設(shè)法甩掉部分負荷。

功率負荷不平衡量過大時，可以通過低周減載、高周切機、適時投入水電阻等措施，及時縮小功率負荷不平衡量。然后利用一次調(diào)頻作用使功率負荷達到平衡，轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。利用二次調(diào)頻作用或手操增減目標閥位，使轉(zhuǎn)速維持在3000r/min附近。

（2）103%超速OPC動作停機

修改與安全油壓開關(guān)開入變量“T1DMLPTRST”相關(guān)邏輯，使安全油壓力開關(guān)瞬間復位不對DEH控制系統(tǒng)造成影響。

· 機組已掛閘、已跳閘邏輯

增加在已掛閘“T1DMTURESET”邏輯中的TON延遲時間，由1s改為5s。以避開OPC動作時，安全油下跌時間。

將已跳閘“T1DOTURTRIP”邏輯中的“T1DMLPTRST”變量，改為已掛閘“T1DMTURESET”。避開“T1DMLPTRST”變量誤動影響。

· DEH打閘邏輯

將打閘邏輯“T 1 D O T R I P T U R”中打閘條件“T1DMLPTRST”變量改為已掛閘“T1DMTURESET”。“T1DMLPTRST”變量為0表示安全油壓已消失，可用來作為SOE記錄，以區(qū)分是DEH打的閘，還是外部打的閘。

News[ 新聞 ]

南車電機公司成功研制高速永磁變頻電機系統(tǒng)

2015年4月28日，具有國際先進水平的高速永磁變頻電機系統(tǒng)在南車株洲電機有限公司成功下線，將為某企業(yè)最新研制的水蒸氣壓縮機提供尖端動力。其與傳統(tǒng)的三相異步電機配套增速箱系統(tǒng)相比，能源利用效率提升約15%，這標志著南車電機已經(jīng)全面掌握高速永磁變頻電機系統(tǒng)核心技術(shù)，為我國流體機械實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保提供了先進的動力系統(tǒng)解決方案。

據(jù)南車電機技術(shù)中心永磁電機研發(fā)部經(jīng)理晏才松介紹，該電機額定功率165kW，額定轉(zhuǎn)速18000轉(zhuǎn)/分，從啟動加速至額定轉(zhuǎn)速僅需9秒，整個動力系統(tǒng)性能優(yōu)異，運行平穩(wěn)，噪聲低，振動小，全生命周期成本低。此次研制成功的高速永磁變頻電機系統(tǒng)包括電機、變頻器與高速滑動軸承等。

整套系統(tǒng)采用高速永磁同步變頻調(diào)速技術(shù)，電機直接驅(qū)動壓縮機運行，與傳統(tǒng)的三相異步電機通過齒輪箱增速再驅(qū)動壓縮機相比，省去了增速齒輪箱，從而消除了齒輪箱所導致的功率損失、噪聲和振動，結(jié)構(gòu)緊湊、維護簡單，大大降低了動力系統(tǒng)的體積，節(jié)約了機器安裝的空間以及后期維護的工作量與使用成本。由于電機轉(zhuǎn)速的提升，高速永磁電機與同等功率三相異步電機相比，體積大大縮小，重量降低，材料消耗降低，驅(qū)動運行的壓縮機體積也變小，成本降低，從而使得整套蒸汽壓縮機整機具有高效率、高可靠性、高功率密度的優(yōu)點。

南車電機作為中國軌道交通牽引動力的領(lǐng)跑者，2013年自主研制的中國首臺高速動車組用TQ-600型永磁同步牽引電機，在運行考核中性能優(yōu)異。此次高速永磁變頻電機系統(tǒng)研制成功，彰顯了南車電機在永磁電機研制技術(shù)、制造工藝、試驗能力的國際先進水平。因為超高的性價比與優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，目前已有20余家國內(nèi)外高速流體機械知名企業(yè)與南車電機開展技術(shù)合作，形成了50kW至1200kW的產(chǎn)品型譜系列。隨著各款高速永磁電機的研發(fā)成功與推廣，具有十分巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

Breakdown Analysis of Turbine

When the Over Speed Control (OPC) acts very often, the pressure switches of safety fuel will be released, which maybe lead to the turbine tripped. Some steam leak out from the governor valve flange face. The work temperature of LVDT is very high. The coils of LVDT are sometimes short out. The actuator is out of control inducing the turbine tripped. The improvement suggestions are proposed in this paper.

Turbine; DEH; OPC; Control system

B

1003-0492(2015)05-0108-04

TK268

劉康寧（1963-） ，男，四川德陽人，高級工程師，計算機應用碩士。現(xiàn)任杭州和利時自動化有限公司副總工程師兼DEH技術(shù)總監(jiān)，主要從事DEH控制系統(tǒng)研究設(shè)計工作。